CN101533720A - 染料敏化太阳能电池用金属氮化物电极材料 - Google Patents

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Abstract

染料敏化太阳能电池用金属氮化物电极材料，以过渡元素的单质或化合物作为前驱体，通过氮化反应制得；氮化反应所用气体为氨气、氮气、肼或氢氮混合气；氮化反应的温度为400℃～900℃；氮化反应的时间为1小时。本发明的优点是：该方法制备的电极材料多孔且表面电阻很小，与染料敏化纳米晶太阳能电池中的液体电解质有较大的有效接触面积，有较多的活性反应中心；具有稳定性高、机械性能好、使用寿命长、制造成本低和良好的光电转化性能，完全可以取代目前染料敏化太阳能电池使用成本高昂的铂金修饰对电极。该氮化钛对电极除了可以应用到染料敏化太阳能电池外，也可以作为高催化活性电化学电极用于其它方面，具有很好的应用前景。

Description

染料敏化太阳能电池用金属氮化物电极材料
技术领域
本发明涉及染料敏化太阳能电池的电极材料，特别是染料敏化太阳能电池用金属氮化物电极材料。
背景技术
染料敏化纳米晶太阳能电池是九十代开发出的一种新型化学太阳能电池(B.O’Regan，M.Gratzel，A low-cost high-efficiency solar cell based on dye-sensitizedcolloidal TiO2 film.，Nature 1991，353，737.)，具有较低的成本，简便的制备工艺以及良好的环境相容性，具有很好的应用前景(P.V.Kamat，Meeting the Clean EnergyDemand：Nanostructure Architectures for Solar Energy Conversion，J.Phys.Chem.C2007，111，2834.)。但是目前在染料敏化纳米晶太阳能电池中，所用的对电极主要是以铂金作为表面镀层的电极(N.Papageorgiou，Counter-electrode function in nanocrystalline photoelectrochemical cell configurations，Coordin.Chem.Rev.2004，248，1421.)。由于铂金的稀有和昂贵，导致该种电极有较高的制造成本。所以，研制新型高效可替代铂金的廉价电极材料成为一个发展趋势(J.E.Trancik，S.C.Barton，J.Hone，Transparent and Catalytic Carbon Nanotube Films，Nano Lett.2008，8，982.)。
发明内容
本发明的目的在于针对上述存在问题，提供一种具有良好的光电转化性能、稳定性高、机械性能好，使用寿命长且制造成本低的种染料敏化太阳能电池用金属氮化物电极材料。
本发明的技术方案：
染料敏化太阳能电池用金属氮化物电极材料，以过渡元素的单质或化合物作为前驱体，通过氮化反应制得。
所述过渡元素包括元素周期表中第四周期、第五周期和第六周期除铂元素外的IIIB族到VIII族元素。
所述氮化反应所用气体为氨气、氮气、肼或氢氮混合气。
所述氮化反应的温度为400℃～900℃。
所述氮化反应的时间为1小时。
本发明的优点是：该方法制备的氮化钛对电极材料多孔且表面电阻很小，与染料敏化纳米晶太阳能电池中的液体电解质有较大的有效接触面积，有较多的活性反应中心；具有稳定性高、机械性能好、使用寿命长、制造成本低和良好的光电转化性能，完全可以取代目前染料敏化太阳能电池使用成本高昂的铂金修饰对电极。该氮化钛对电极除了可以应用到染料敏化太阳能电池外，也可以作为高催化活性电化学电极用于其它方面，具有很好的应用前景。
附图说明
图1为染料敏化太阳能电池的结构示意图。
图2为采用氮化镍纳米颗粒薄膜做对电极时的光电流-电压曲线。
图3为采用氮化铁纳米颗粒薄膜做对电极时的光电流-电压曲线。
图4为采用氮化钛纳米管阵列做对电极时的光电流-电压曲线。
图5为采用氮化钛纳米颗粒薄膜做对电极时的光电流-电压曲线。
具体实施方式
实施例1氮化镍纳米颗粒薄膜电极材料的制备，步骤如下：
1)将氧化镍纳米颗粒浆料用丝网印刷法制成厚度为8微米的多孔薄膜；
2)将氧化镍膜置于通有流动氨气的管式炉中，在温度为400℃～450℃的条件下氮化1小时，制得氮化镍多孔电极材料。
将制得的氮化镍多孔电极材料用于图1所示的染料敏化太阳能电池的对电极，测得其光电流-电压曲线如图2所示，表明具有良好电化学性能。
实施例2氮化铁纳米颗粒薄膜电极材料的制备，步骤如下：
1)将氧化铁纳米颗粒浆料采用喷涂法制成厚度为18微米的多孔薄膜；
2)将氧化铁膜置于通有流动氮气的管式炉中，在温度为400～450℃的条件下氮化1小时，制得氮化铁电极材料。
将制得的氮化铁电极材料用于图1所示的染料敏化太阳能电池的对电极，测得其光电流-电压曲线如图3所示，表明具有良好电化学性能。
实施例3氮化钴纳米颗粒薄膜电极材料的制备，步骤如下：
1)将氧化钴纳米颗粒浆料采用刮涂法制成厚度为38微米的多孔薄膜；
2)将氧化钴膜置于通有流动肼的管式炉中，在温度为450℃的条件下氮化1小时，制得氮化钴多孔电极材料。
实施例4氮化钛纳米管阵列电极材料的制备，步骤如下：
1)用阳极氧化钛金属片法制备二氧化钛纳米管阵列，即以钛金属片为阳极，以石墨或白金为阴极，在氟化氨含量为0.1％-0.3％的乙二醇溶液中，在室温条件下电解12小时，得到二氧化钛纳米管阵列；
2)将制得的二氧化钛纳米管阵列置于通有流动氨气的管式炉中，温度为800-900℃的条件下氮化1小时，制得氮化钛纳米管阵列电极材料。
将制得的氮化钛纳米管阵列电极材料用于图1所示的染料敏化太阳能电池的对电极，测得其光电流-电压曲线如图4所示，表明具有良好电化学性能。
实施例5氮化钛纳米颗粒薄膜电极材料的制备，步骤如下：
1)将二氧化钛或者质子钛酸盐二氧化钛的纳米颗粒用丝网印刷、喷涂或刮涂法制成厚度为58微米的多孔薄膜；
2)将二氧化钛薄膜置于通有流动氨气的管式炉中，在温度为800～900℃的条件下氮化1小时，制得多孔氮化钛薄膜电极材料。
将制得的氮化钛纳米颗粒薄膜电极材料用于图1所示的染料敏化太阳能电池的对电极，测得其光电流-电压曲线如图5所示，表明具有良好电化学性能。

Claims (5)

1.染料敏化太阳能电池用金属氮化物电极材料，其特征在于：以过渡元素的单质或化合物作为前驱体，通过氮化反应制得。
2.根据权利要求1所述染料敏化太阳能电池用金属氮化物电极材料，其特征在于：所述过渡元素包括元素周期表中第四周期、第五周期和第六周期除铂元素外的IIIB族到VIII族元素。
3.根据权利要求1所述染料敏化太阳能电池用金属氮化物电极材料，其特征在于：所述氮化反应所用气体为氨气、氮气、肼或氢氮混合气。
4.根据权利要求1所述染料敏化太阳能电池用金属氮化物电极材料，其特征在于：所述氮化反应的温度为400℃～900℃。
5.根据权利要求1所述染料敏化太阳能电池用金属氮化物电极材料，其特征在于：所述氮化反应的时间为1小时。
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